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電機控制用多輸出開關電源設計

2005-11-02 00:00:00

摘 要:針對30 kW開關磁阻電機控制系統的需要,本文設計了Flyback輔助開關穩壓電源。此電源給系統控制板以及IGBT驅動電路供電,并保證電源電壓穩定,紋波不大于3%,控制板電源與驅動電路電源以及IGBT驅動電路電源之間相互隔離。本文重點論述了開關電源的電路設計及高頻變壓器的設計,并給出實際紋波波形。本文設計的開關電源經現場檢驗,性能良好。本開關電源經改動后也適用與其他使用IGBT器件的電力電子裝置。
  關鍵詞:開關電源;Flyback;UC3842;電機
Design of Switching Power Supply with Multi output for Motor Control
CHU Junjian, WANG Yan,YIN Tianming
(College of Electricity, Beijing Jiaotong UNIversity, Beijing,100044, China)
  AbstractThe paper designed a Flyback switching power supply for switched reluc tance motor control system The power supply the control board and the IGBT dri ve circuits, the control board power supply and IGBT drive circuit power supply i s insulated. The paper emphasized on switching power circuit design and highfre quency transformer design. The switching power supply is used in SRM control sy stem and run well After mended, the switching power supply will adapt to powe r electronic system with IGBT
  Keywords:
switching power supply;Flyback; UC3842; motor

  本文介紹了一種基于專用芯片UC3842的開關穩壓電源。在電機調速控制器中,該電源提供功率開關元件基極(柵極)驅動電壓和控制電路工作電壓。開關電源性能的好壞直接影響到電機調速控制器的工作可靠性。該電源是為30 kW開關磁阻電機控制器設計的,也適用于采用功率MOSFET或IGBT作為開關元件的中小功率感應電機調速控制器。
1主回路方案
1.1電源電路
  此電源是為30 kW開關磁阻電機控制器設計的,此電機功率變換器的主電路為不對稱半橋電路[1]。采用反激變換器結構[2],具有結構簡單、損耗小的優點,但輸出電壓紋波較大,通常用在150 W以下的電源中。具體電路如圖1所示。
  此電源為單芯片集成穩壓電源,PWM芯片采用UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器,是專為脫線式直流變換電路設計的,其內部結構如圖2所示。
  他集成了振蕩器、有溫度補償的高增益誤差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路及PWM鎖存器電路。可以實現逐個脈沖的電流限制,輸出電流可達1 A,可直接驅動MOSFET。
1.2工作原理
  此電源電路工作原理為:220 V三相的交流輸入電壓先經三相不控整流,再經支撐電容平滑,為電源電路提供550 V直流工作電壓。當三相逆變器接通電源時,R5和C2吸收電路啟動時的沖擊電流。從逆變器主電路來的直流母線電壓經電阻R6降壓后,給UC3842提供約16V的起動電壓。進入正常工作后,二次繞組W3經D3,C16提供UC3842的工作電壓。另一繞組W2的高頻電壓經D2,C13整流濾波,再經7.5kΩ電阻R12,R13和2kΩ電位器RP1分壓,獲得輸出電壓信號。此信號經可調穩壓管TL431產生偏差信號,再經光電隔離加到UC3842的誤差放大器放大,控制VMOS管的開通與截止,實現穩壓的目的。電源的過流保護由1.8Ω電阻R19檢測到VMOS管的過流信號,電流超過域值時封鎖UC3842輸出信號,實現單周期過流保護。
  
UC3842驅動VMOS管VT1以控制高頻變壓器一次繞組通斷,進而獲得多組副邊電壓輸出。此輸出經二極管整流、電容濾波后得到多路直流電壓。供給三相逆變器各功率開關元件驅動(W6,W7,W8,W9)與PWM控制電路(W2,W4,W5)。電路穩定工作時UC 3842的電源由W3,D3,C16組成的電源電路提供。
  VMOS管選用耐壓1000V,電流8A的場效應管8N100。為了保證開關元件在快速開關過程中不產生過大的尖峰電壓,需用C8,R15,D1組成的RCD緩沖電路來抑制。緩沖電路二極管V3選用快速恢復二極管FR107。
  R8,R9和穩壓管D11用來限制柵極電壓和電流,進而限制VMOS管開關速度,有利于改善電磁兼容性。
  +15V電源和-15V電源對控制電路電源精度要求較高,但因為共用同一個變壓器很難通過PWM實現反饋控制來穩壓。為獲得高品質的控制電源,應用線性穩壓芯片7815和7915(如圖1所示)構成了復合式開關穩壓電源。為防止輸出在輕載或空載時的電壓升高,在5 V整流輸出端并聯一個100Ω的負載電阻。
2變壓器設計
  
電機控制逆變器開關電源是一個具有多路輸出的直流電源。由高頻變壓器8個副邊繞組經整流濾波后獲得。開關電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設計。
2.1功率計
  高頻變壓器的副邊繞組W6,W7,W8提供了三相逆變器3個上橋臂元件的驅動電源,W9提供了下橋臂3個元件的驅動電源(亦可用3個繞組分別提供,以避免交叉干擾,此處只用一組是為了簡化系統)。按逆變器開關元件對驅動電路電壓、電流的要求確定功率。本電機控制功率變換器功率模塊為IGBT,驅動模塊為EXB841。選定W2,W3,W4電壓20V,電流100mA;W5電壓20V,電流200mA。W6,W7繞組提供其他模擬電路±15V,300mA電源。W8繞組提供5V給微處理器,輸出電流為2A。W2為開關電源自身的反饋繞組,其功率很小,可忽略。
  由以上設定條件可知高頻變壓器的輸出功率為:
  
  設計效率為85%并留有一定裕量,設計目標為額定功率為40 W的高頻變壓器。
2.2磁心的選用
  根據文獻[3]給出的高頻變壓器最大承受功率與磁心截面積的關系并考慮窗口面積,本開關電源選用EI-35磁心,其有效截面積為100 mm2
2.3繞組匝數的確定
  首先確定開關電源功率和開關元件的工作頻率。若工作頻率小于20 kHz,則進入音頻范圍的噪聲較大,紋波增大。若開關頻率較高,則開關損耗增大,系統效率降低。因此確定工作頻率時要折衷考慮,實際選擇工作頻率為30 kHz。
  取PWM調制的占空比:
  
  考慮工作環境較為惡劣,最低直流輸入電壓:
  

  EI35中心柱磁芯有效面積:Ae=100 mm2
  鐵氧體磁芯磁感應強度取65%的飽和值:
  
  根據一個導通期間的伏秒值與原邊匝數的關系,則變壓器的原邊匝數為:
  
  實際取300匝以便于繞制與計算。則變壓器副邊繞組匝數計算如下:
  原邊繞組每匝伏數為:
  取整流二極管壓降0.7 V,副邊繞組壓降0.6 V得:
 
  試驗時由于氣隙的原因產生漏磁,以上副邊匝數還需稍做調整。
2.4氣隙
  與正激開關電源變壓器不同,此反擊電源變壓器兼有儲能的作用,流過直流電流成分時容易飽和。所以要使用帶有氣隙的磁芯。原理如圖3所示。
  有氣隙時,由于B-H特性曲線斜率減小。在Hdc不變的情況下Bdc減小,磁滯回環遠離飽和區。另外,有氣隙時剩余磁感應強度Br減小,ΔBac變化范圍增大。另外又由于有氣隙時B-H特性曲線向H軸靠攏,在ΔBac,Bdc不變的情況下ΔHac,Hdc增大。由上可知,適當增加氣隙可以增強電路的電流輸出能力和抗干擾能力。
  經過試驗氣隙大小為0.3 mm時較為合適。
3實驗與結論
  
此開關電源5 V時輸出的紋波如圖4所示,峰值為15 mV,紋波不大于0.3%。該電源作為30 kW開關磁阻電機控制器電源,在勝利油田已得到實際應用,工作可靠。
參考文獻
[1]王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京:機械工業出版社,1995.
[2]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,1999.
[3]沙占友.新型單片開關電源的設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2001.
[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  開關電源,[0]    電機,[0]
 
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